Исследование свойств фотокаталитических нанопокрытий TiO 2пО очистке воздуха от паров органических растворителей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

УДК 662.013.8:628.5

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИХ НАНОПОКРЫТИЙ TIO2 ПО ОЧИСТКЕ ВОЗДУХА ОТ ПАРОВ ОРГАНИЧЕСКИХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ

И.С. Алексеев, Н.И. Миклис

Цель исследования: определить способность нанопокрытий ТЮ2 обезвреживать и дезодорировать воздух от вредных химических веществ.

Установлено, что при ультрафиолетовом (УФ) облучении ТЮ2 абсорбция фотона с энергией больше, чем ширина запрещенной зоны, приводит к образованию устойчивой пары «электрон-дырка», которая называется «экситоном». Хотя экситон состоит из электрона и дырки, он является самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дырки имеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них. Экситон можно считать элементарной квазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.

Электрон и дырка - достаточно подвижные образования и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически происходящие процессы показаны на рисунке 1 [1].

Органические вещества

Продукты окисления

Рисунок 1 - Схема фотокатализа

Таким образом, инициирование фотокаталитического окисления можно представить следующим образом:

Ті02 + Ну ——е + Н+

При наличии паров воды в воздухе возможны следующие реакции, приводящие к образованию гидроксильных и пероксидных радикалов:

Ті4+...ОН- + е + Н+— Ті3 +ОН,

Ті3+ + О2— Ті4 +Оі — Ті4... О{,

Ті4+...О2 + Н2О— Ті4...ОН- + НО2 •

Дырки также способны образовывать свободные радикалы по реакциям с водой или адсорбированными на поверхности катализатора органическими соединениями [2]:

Н20 + к+^ ОН +Н+, ЯН + к+^ Я +Н+.

При отсутствии воды активные частицы образуются при взаимодействии органических соединений и дырок и помощи следующих реакций и приводят к образованию О2- , О3- Ои атомарного кислорода [3]:

О2 + е ^ О 2 ,

О£ + к+^2О, О+ е ^ О-,

О- + О2 ^ Оз -.

Продукты фотокаталитического окисления для многих органических соединений идентичны продуктам их радикально цепного окисления. Поэтому можно предположить, что реакции продолжения цепи и превращения свободных радикалов при фотокаталитическом окислении аналогичны хорошо изученным реакциям радикально цепного окисления.

ГАЗОВОХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭТИЛАЦЕТАТА, АЦЕТОНА, ТОЛУОЛА, КСИЛОЛА, БУТИЛАЦЕТАТА, ГЕКСАНА В

ВОЗДУХЕ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

Использованные материалы:

- опытные образцы стекол с нанопокрытием из диоксида титана;

- камера из стекла с внутренним покрытием из диоксида титана объемом 0,025 м3;

- ультрафиолетовая лампа (УФ лампа) мощностью 10 Вт;

- стандартная смесь химических веществ для хроматографии ХЧ (гексан, ацетон, этилацетат, бензол, толуол, бутилацетат, м-ксилол);

- аммиак 30 %.

Исследования проводились согласно:

- санитарным нормам, правилам и гигиеническим нормативам N 240 от 31.12.2008 «Перечень регламентированных в воздухе рабочей зоны вредных веществ»;

- инструкции 4.1.11-11.33.2003 «Газовохроматографическое измерение концентраций этилацетата, ацетона, толуола, ксилола в воздухе рабочей зоны»;

- методическим указаниям по газовохроматографическим измерениям ацетона, бензола, толуола, м-ксилола, бутилацетата, гексана № 4168 - 86, 4201 - 86, 4167 - 86.

Цель исследования: определить способность нанопокрытий из диоксида титана

обезвреживать и дезодорировать воздух от вредных химических веществ.

Таблица 1 - Оборудование и средства измерений, применяемые при проведении испытаний

Наименование оборудования Зав. № Дата очередной проверки (аттестации)

Газовый хроматограф Тип СИ цвет 800 с ПИД 195 24.10.2013.

Прибор «Драгер» Тип СИ Хат-5000 AZRK-0955 19.11.2013.

б

Рисунок 2 - Газовый хроматограф Тип СИ цвет 800 с ПИД а - общий вид; б - устройство ввода

а б

Рисунок 3 - Прибор «Драгер» Тип СИ Хат-5000 (а) и образцы стандартных смесей химических веществ для хроматографии ХЧ (гексан, ацетон, этилацетат, бензол, толуол,

бутилацетат, м-ксилол) (б)

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Для создания исходных концентраций загрязнителей в герметичной камере

33

разбрызгивали 0,3 см аммиака, 0,1 или 0,25 см смеси химических веществ для хроматографии (гексан, ацетон, этилацетат, бензол, толуол, бутилацетат и м-ксилол).

2. Проводили эксперимент в герметичной камере без предварительного облучения стекол УФ лампой (опыт № 1); при облучении стекол и камеры УФ лампой в течение всего эксперимента (опыт № 2).

Опытная установка показана на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 - Ввод химических веществ в камеру при помощи шприца

Рисунок 5 - Ввод химических веществ в камеру при помощи распылителя 1. Запах веществ определяли органолептически.

Результаты исследования опытов представлены в таблицах 2, 3 и на рисунке 6.

Таблица 2 - Содержание аммиака, мг/м3 в воздухе камеры

Опыт Экспозиция

До эксперимента 5 мин 10 мин 12 мин 15 мин 20 мин 25 мин 30 мин

№ 1 60 52 47 45 40 33 29 20

№ 2 60 35 25 20

Таблица 3 - Концентрация (мг/м3) и запах (баллы) вредных химических веществ в воздухе в камере ________________________________________________________________

Опыт Экспози- ция Химические вещества

Гексан Ацетон Этил- ацетат Бензол Толуол Бутил- ацетат М-кси- лол Запах

№ 1 До эксперимента 126,1 116,5 155,5 111,3 311,7 332,9 310,9 5

1 ч 56,3 51,3 62,1 59,9 128,1 128,3 118,1 5

1,5 ч 43,6 38,5 44,9 39,3 69,9 76,7 85,9 4

№ 2 До эксперимента 255,04 262,6 329,1 209,5 614,6 605,2 610,9 5

1 ч 73,4 73,2 89,7 58,9 174,3 149,4 150,7 3

1,5 ч 37,1 38,9 41,7 33,1 99,3 86,3 87,9 1

№ 3 До эксперимента 34,6 31,1 47,9 27,2 86,3 74,8 73,2 5

1 ч 8,6 10,8 18,9 16,3 18,3 8,8 9,5 3

1,5 ч 6,3 12,1 8,3 6,3 17,03 14,04 6,8 1

100 100 100 100 100 100 100

Рисунок 6 - Диаграмма изменения концентрации вредных химических веществ в воздухе в камере относительно контрольных замеров без облучения

ВЫВОДЫ

1. Без предварительного облучения опытных стекол УФ лампой концентрация аммиака снижается в 3 раза за 30 мин, гексана - в 2,2 раза за 1 ч, в 2,9 раза за 1,5 ч, ацетона - в 2,2 раза за 1 ч, в 3,05 раза за 1,5 ч, этилацетата - в 2,5 раза за 1 ч, в 3,5 раза за

1.5 ч, бензола - в 1,9 раза за 1 ч, в 2,8 раза за 1,5 ч, толуола - в 2,4 раза за 1 ч, в 4,5 раз за

1.5 ч, бутилацетата - в 2,5 раза за 1 ч, 4,3 раза за 1,5 ч, м-ксилола - в 2,6 раза за 1 ч, в 3,6 раза за 1,5 ч, запах всех исследуемых химических веществ остается в течение всего эксперимента.

2. При непрерывном облучении УФ лампой опытных поверхностей с нанопокрытием из диоксида титана концентрация аммиака снижается в среднем в 3 раза за 12 мин, гексана

- в 4 раза за 1 ч, в 6 раз за 1,5 ч, ацетона - в 3 раза за 1 ч, в 5,5 раза за 1,5 ч, этилацетата - в 5 раз за 1 ч, в 7 раз за 1,5 ч, бензола - в 3 раза за 1 ч, в 5 раз за 1,5 ч, толуола - в 4 раза за 1 ч, в 5,5 раза за 1,5 ч, бутилацетата - в 6,5 раза за 1 ч, 6 раз за 1,5 ч, м-ксилола - в 4 раза за 1 ч, в 9,5 раз за 1,5 ч, запах всех исследуемых химических веществ остается в течение 1,5 ч.

3. Таким образом, при непрерывном облучении УФ лампой опытных поверхностей с нанопокрытием из диоксида титана концентрация аммиака, гексана, ацетона, этилацетата, бензола, толуола, бутилацетата и м-ксилола снижается в среднем в 2 раза быстрее, чем без предварительного облучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опытные поверхности с нанопокрытием из диоксида титана при непрерывном облучении их ультрафиолетовой лампой обладают способностью дезодорировать и обезвреживать воздух от вредных химических веществ.

Список использованных источников

1. Савинов, Е. Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха / Е. Н. Савинов // Соросовский обр. журн. - 2000. - Т. 6. - № 11. - С. 52 - 56.

2. Воронцов, А. В. Гетерогенная фотокаталитическая окислительная деструкция углеродсодержащих соединений на чистом и платинированном диоксиде титана : автореф дисс.. .д.х.н. / А. В. Воронцов. - Новосибирск, 2009.

3. Механизм фотокаталитического окисления угарного газа [Электрон. ресурс] - 9 декабря 2012 г. - Режим доступа: www.airlife.ru

Статья поступила в редакцию 08.02.2013.

Выходные данные

Алексеев, И. С. Исследование свойств фотокаталитических нанопокрытий ТЮ2 по очистке воздуха от паров органических растворителей / И. С. Алексеев, Н. И. Миклис // Вестник Витебского государственного технологического университета . — 2013. — № 24.

- С. 82.